(57)【要約】      （修正有）【課題】等軸晶のインベストメント鋳造品を製造する方法を提供する。【解決手段】超音波発生機５０を利用して、インベストメント鋳造金型３２内の溶融金属中に超音波パルスを送る。インベストメント鋳造金型３２を、溶融金属内に対流の流れを発生させる低出力誘導コイル２４を有する炉の作業ゾーン２２内に配置する。超音波パルスは、金型の表面から溶融金属の内部に向かって成長する樹枝状結晶を分離する。代わりに、等軸晶結晶粒が溶融金属内で核を形成することができる。さらに、超音波パルスと低出力誘導コイル２４は、凝固する等軸晶結晶粒から溶質が放出されるとき溶融金属を循環させる。混合により、凝固する合金内の偏析の影響を減らし、等軸晶結晶粒の核生成を補助する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造ユニットであって、
金型キャビティーを有するインベストメント鋳造金型と、
インベストメント鋳造金型を受容する第１のゾーン、
金型に溶融金属が供給されたとき金型内の溶融金属内に対流の流れを発生させるための手段、
第１のゾーンを包囲し画成する耐火性分割器、及び
第１のゾーンを包囲する絶縁材
を有する炉と、
金型キャビティーに溶融金属が供給されたとき金型キャビティー内に超音波パルスを送出するための、金型の底部と接触して配置された超音波源と
を含む鋳造ユニット。
【請求項２】
対流の流れを発生させるための手段が低出力誘導コイルからなる、請求項１記載の鋳造ユニット。
【請求項３】
さらに、第１のゾーン内でインベストメント鋳造金型と耐火性分割器との間に配置された第１の加熱エレメントを含む、請求項１記載の鋳造ユニット。
【請求項４】
さらに、炉の上に炉頂部を含む、請求項１記載の鋳造ユニット。
【請求項５】
炉頂部が融解ゾーンを含んでおり、融解ゾーンが金型キャビティーと流体連通している、請求項４記載の鋳造ユニット。
【請求項６】
さらに、融解ゾーンを包囲する第２の加熱エレメントを含む、請求項５記載の鋳造ユニット。
【請求項７】
さらに、第１のゾーン内にある雰囲気を維持するための手段を含む、請求項１記載の鋳造ユニット。
【請求項８】
第１のゾーン内にある雰囲気を維持するための手段が第１のゾーンを真空にする真空系を含む、請求項７記載の鋳造ユニット。
【請求項９】
第１のゾーン内にある雰囲気を維持するための手段が炉を真空にする真空系を含む、請求項７記載の鋳造ユニット。
【請求項１０】
第１のゾーン内にある雰囲気を維持するための手段が第１のゾーンのための非反応性ガス雰囲気を含む、請求項７記載の鋳造ユニット。
【請求項１１】
第１のゾーン内にある雰囲気を維持するための手段が炉のための非反応性ガス系を含む、請求項７記載の鋳造ユニット。
【請求項１２】
さらに、融解ゾーンと金型キャビティーとの間の溶融金属の流れを調節するための栓を含む、請求項４記載の鋳造ユニット。
【請求項１３】
鋳造ユニットであって、
金型キャビティーを有するインベストメント鋳造金型と、
インベストメント鋳造金型を受容する作業ゾーン、
作業ゾーンを包囲する低出力誘導コイル、
作業ゾーンを包囲する低出力誘導コイルから作業ゾーンを分離する耐火性分割器、
インベストメント鋳造金型を包囲しており、インベストメント鋳造金型と耐火性分割器との間に配置された第１の加熱エレメント、
作業ゾーンを包囲する絶縁材、
融解ゾーン、
融解ゾーンとインベストメント鋳造金型との間の流体連通チャンネル、
融解ゾーンを包囲する第２の加熱エレメント、及び
融解ゾーンから流体連通チャンネルを通って作業ゾーン内のインベストメント鋳造金型内への溶融金属の流れを調節する栓
を有する炉と、
溶融金属が供給されたとき金型キャビティー内に超音波パルスを送出するための、金型の底部と接触して配置された超音波源と、
炉の作業ゾーン内にある雰囲気を維持するための手段と
を含む鋳造ユニット。
【請求項１４】
等軸晶の鋳造品を製造するための方法であって、
金型キャビティーを有するインベストメント鋳造金型を準備する工程と、
インベストメント鋳造金型を受容する作業ゾーン、
対流の流れを発生させるための手段、
作業ゾーンを包囲する耐火性分割器、
作業ゾーンを包囲する絶縁材、
作業ゾーン内に配置され、耐火性分割器と金型キャビティーとの間に配置された第１の加熱エレメント、及び
溶融金属が供給されたとき金型キャビティー内に超音波パルスを送出するための、金型の底部と接触して配置された超音波源
を有する炉を準備する工程と、
作業ゾーン内にインベストメント鋳造金型を入れる工程と、
溶融金属をインベストメント鋳造金型に供給する工程と、
溶融金属が金型キャビティー内で凝固し始めたとき、超音波パルスをインベストメント鋳造金型に適用する工程と（このパルスはインベストメント鋳造金型内で成長する樹枝状結晶の形成を破壊するのに充分な振幅を有しており、さらにこのパルスは溶融合金を混合する）、
超音波パルスをインベストメント鋳造金型に適用し続けて、溶融金属凝固するとき、樹枝状結晶の形成を破壊し、溶融合金を混合し、等軸晶結晶粒の形成を促進する工程と
を含む方法。
【請求項１５】
等軸晶の鋳造品を製造するための方法であって、
金型キャビティーを有するインベストメント鋳造金型を準備する工程と、
インベストメント鋳造金型を受容する作業ゾーン、
作業ゾーンを包囲する、対流の流れを発生させるための手段、
対流の流れを発生させるための手段から作業ゾーンを分離する耐火性分割器、
作業ゾーンを包囲する絶縁材、
作業ゾーン内に配置された第１の加熱エレメント（耐火性分割器は対流の流れを発生させるための手段と第１の加熱エレメントとの間に位置する）、
金属を受容するための融解ゾーン、
融解ゾーンとインベストメント鋳造金型との間の流体連通チャンネル、
融解ゾーンを包囲する第２の加熱エレメント、
融解ゾーンから連通チャンネルを通ってインベストメント鋳造金型内に流れる溶融金属の流れを調節する栓、
溶融金属が供給されたとき金型キャビティー内に超音波パルスを送出するための、金型の底部と接触して配置された超音波源、及び
炉の作業ゾーン内にある雰囲気を維持するための手段
を有する炉を準備する工程と、
インベストメント鋳造金型を作業ゾーン内に入れ、溶融金属を受容するために融解ゾーンと流体連通させて配置する工程と、
融解ゾーンから溶融金属を供給する工程と、
場合により、第２の加熱エレメントを用いて融解ゾーン内の金属を第１の所定の温度に加熱する工程と、
炉の作業ゾーン内にある雰囲気を維持しつつ溶融金属をインベストメント鋳造金型に供給する工程と、
金型キャビティー内で溶融金属が凝固し始めたら、超音波パルスをインベストメント鋳造金型に適用する（パルスは、インベストメント鋳造金型内で成長する樹枝状結晶の形成を破壊するのに充分な振幅を有し、さらにパルスは溶融合金を混合する）工程と、
超音波パルスをインベストメント鋳造金型に適用し続けて、樹枝状結晶の形成を破壊し、溶融合金を混合し、等軸晶結晶粒の形成を促進する工程と
を含む方法。
【請求項１６】
対流の流れを発生させるための手段が低出力誘導コイルを含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
対流の流れを発生させるための手段がさらに超音波源を含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
ある雰囲気を維持するための手段が、非反応性雰囲気及び真空からなる群から選択される、請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
超音波パルスを１５ｋＨｚ−２５ＭＨｚの周波数範囲で発生させる、請求項１５記載の方法。
【請求項２０】
金属を最初に未融解状態で融解ゾーンに供給し、その金属を融解ゾーン内で第２の加熱エレメントによって融解する、請求項１５記載の方法。
【請求項２１】
金属を、溶融状態の別の供給源から融解ゾーンに供給する、請求項１５記載の方法。
【請求項２２】
請求項１５記載の方法によって製造されたインベストメント鋳造品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、予め選択された結晶粒組織を有するインベストメント鋳造品を製造するための装置に関し、具体的には、凝固プロセスを制御することにより、予め選択された結晶粒組織をインベストメント鋳造品に生成させることに関する。
【背景技術】
【０００２】
インベストメント鋳造法は、精密公差又は設計の精巧さが要因となる鋳造で特に有用である。１つの例は、特殊合金から作製され高温条件に付されるタービンブレード及びベーンのような翼の鋳造である。インベストメント鋳造により、タービンブレードの翼部分のような薄い部分の鋳造が可能になる。
【０００３】
インベストメント鋳造品を含めて鋳造品の凝固は、通例、金型壁を通って熱が鋳造品から除かれるときに起こる。この凝固は、通常、鋳造品内の溶融金属から周囲の大気中に熱を移す鋳造品の壁を通して起こる。熱が除かれるにつれて、核生成部位が金型壁上に形成され、凝固前面が樹枝状結晶として溶融金属中に成長する。
【０００４】
また、固体／液体界面の前で固体の断片により結晶粒が不均一に核を形成する。これらの固体断片の数は過冷却の量に比例する。核形成した結晶粒の形態は、任意の所与の時間における熱流束の方向及び量によって決定される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
必要とされているのは、凝固中金属又は金属合金の凝固に対する補助的な制御を可能にして、温度分布を均質化し、偏析を低減し、かつ必要なときには鋳造品内の容積測定の欠陥を破壊し／分散させる鋳造系である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
誘導攪拌され、超音波改変されたインベストメント鋳造品を製造するための鋳造ユニットが記載されている。鋳造ユニットは、金型キャビティーを有するインベストメント鋳造金型を含んでいる。鋳造ユニットはまた炉も含んでいる。炉の第１のゾーンは、金型に溶融金属が供給されたとき溶融金属内に対流の流れを発生させるための手段を含んでいる。第１のゾーンはインベストメント鋳造金型を受容する。耐火性分割器が、作業ゾーンを包囲する第１のゾーンを画成する。しかしながら、エネルギーは分割器を横切って第１のゾーンへ／第１のゾーンから伝達され得る。第１のゾーンはまた絶縁材によっても包囲されていて、炉の境界を横切る周囲の環境への熱の迅速な伝達が起こらないようになっている。金型キャビティーに溶融金属が供給されたとき金型キャビティー中に超音波のパルスを送出するための超音波源が、金型の底部と接触して配置されている。第１の加熱エレメントが、第１のゾーン内で耐火性分割器とインベストメント鋳造金型との間に配置されている。高い予熱温度のため、これらの加熱エレメントは非金属性であり、第１のゾーン内で耐火性分割器とインベストメント鋳造金型との間に配置されている。
【０００７】
等軸晶の鋳造品を製造するための方法も提供される。この方法は、インベストメント鋳造金型を受容する第１のゾーン又は作業ゾーンを有する炉を提供するステップを含んでいる。また、金型に溶融金属が供給されたときに金型内に対流の流れを発生させる手段も提供される。耐火性分割器が第１のゾーンを包囲する。絶縁材が炉の第１のゾーンを包囲し、炉から炉を包囲する周囲大気への熱の伝達を遅くする。第１の加熱エレメントが、耐火性分割器とインベストメント鋳造金型との間で耐火性分割器の内側に配置される。第１の加熱エレメントにより、所望であれば、インベストメント鋳造金型を予熱することができ、その結果溶融金属の温度が導入の際に急激に低下することがなく、凝固プロセス中炉の第１のゾーン内の溶融金属の温度のある程度の制御が可能になり得る。溶融金属が金型キャビティー中に導入されたら金型キャビティー中に超音波のパルスを送出するために、金型と接触して配置された超音波源が提供される。金型キャビティーを有するインベストメント鋳造金型が炉の第１のゾーン内に配置される。溶融金属がインベストメント鋳造金型の金型キャビティー中に導入される。第１の加熱エレメントは、金型キャビティー中への溶融金属の導入の前にインベストメント鋳造金型を予熱することを可能にし、凝固プロセスの間の金型内の溶融金属の温度を調節するのに使用され得る。金型キャビティー中に導入されると、溶融金属は、通例金型表面から溶融金属内へ成長する樹枝状結晶の形態で凝固し始める。超音波のパルスは、樹枝状結晶を断片に破断するのに使用される超音波のパルス又は波を発生させる超音波源から溶融金属中に導入される。これらの断片は対流の流れにより溶融金属全体に分配され、その後追加の結晶粒の形成のための核として働き得る。対流の流れは超音波源からの波によって発生するか若しくは低出力誘導コイルによって発生するか、又は両方である。低出力誘導コイルは、対流の流れを発生させる目的で約２０Ｈｚ〜約１０ｋＨｚの範囲で作動する。
【０００８】
また超音波のパルスをインベストメント鋳造金型に当てて、上述のように通常インベストメント鋳造金型の面から成長する樹枝状結晶の形成を破壊し得る。超音波のパルスはまた、液体の合金の構成成分に対する混合効果も提供し、液体の金属内の核生成部位からの成長が促進されるので等軸晶の結晶粒の形成を促進する。鋳造金型の面からの樹枝状結晶が破壊されると、液体内のパルスと対流の流れを発生させる手段により生成する対流の流れとの両方によって混合され、完全に融解されない程度に等軸晶結晶粒の形成のための追加の核生成部位を形成する。このプロセスによって、等軸晶の結晶粒組織を有するインベストメント鋳造品が作成され得る。
【０００９】
本発明の他の特徴及び利点は、例として本発明の原理を図解する添付の図面を参照して好ましい実施形態に関する以下のより詳細な説明から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、溶融金属が受口又は融解炉中に導入されているが、炉の作業ゾーン内に位置するインベストメント鋳造金型内には導入されていない本発明の装置を示し、インベストメント鋳造金型は核形成剤と熱安定性分散剤の両方を含んでいる。
【図２】図２は、溶融金属が受口からインベストメント鋳造金型中に移されている図１の装置を示す。
【図３】図３は、溶融金属が受口中に導入されているが、炉の作業ゾーン内に位置するインベストメント鋳造金型中には導入されていない図１の装置を示し、インベストメント鋳造金型は核形成剤のみを含んでいる。
【図４】図４は、溶融金属が受口からインベストメント鋳造金型中に移されている図３の装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
凝固中の溶融金属又は金属合金の凝固に対する補助的な制御を可能にして、凝固中の等軸晶の微細組織の形成を安定化する鋳造系について記載する。この系はまた、凝固が進行するときの鋳造物の未凝固の溶融部分内の溶質に富む金属の混合も提供して、組成勾配と温度勾配の両方がより均一な凝固を可能にするように制御され得る。本明細書で使用する場合、金属又は溶融金属とは、特に断らない限り金属若しくは合金、又は溶融した金属若しくは合金を意味する。
【００１２】
ここで図１を参照して、鋳造ユニット１０は炉２０を含んでいる。炉は作業ゾーン２２を含んでおり、作業ゾーン２２は第１の加熱エレメント２５を含んでいる。炉２０は、炉２０の内部から炉壁２８を通って周囲の環境への熱の伝達を最小限にするために絶縁材２６により包囲されている。耐火性分割器３０が第１の加熱エレメントを低出力誘導コイル２４から分離しており、この耐火性分割器３０は作業ゾーン２２といわれる部分の任意の境界を形成している。耐火性分割器３０の境界内の領域は本明細書中で作業ゾーン２２と定義される。
【００１３】
作業ゾーン２２は充分に大きくて、インベストメント成型プロセスで作成されるような精密金型を収容する。本発明で使用する場合、かかる金型はインベストメント鋳造金型といわれるが、他のいかなる金型を作業ゾーン２２内に挿入してもよい。インベストメント鋳造金型３２は金型キャビティー３５を形成するセラミックシェル３４で形成され、金型キャビティーは場合により核形成剤でライニングしてもよい。セラミックシェル３４を核形成剤でライニングするか否かは鋳造品を形成するのに使用する金属合金によって決まる。
【００１４】
第１のゾーン２２の頂部３６には第２の作業ゾーン又は融解ゾーン３８が取り付けられる。融解ゾーンは、炉の頂部３６に永久的に取り付けられてもよいし、取り外し可能なように炉２０に取り付けられてもよい。好ましくは、融解ゾーン３８は便宜上、融解ゾーンと第１のゾーン２２の修理を容易にし、かつ第１のゾーン２２へのアクセスを可能にするため取り外し可能なように取り付けられる。代わりの実施形態において、融解ゾーン３８は実質的に永久的に取り付けられた構造からなり得、融解ゾーンのライナーは取り外し可能で交換可能であり得る。融解ゾーン３８の具体的な構成及びその炉頂部３６への取り付けは本発明の重要な局面ではない。融解ゾーンは第２の加熱エレメント４０により包囲される。
【００１５】
融解ゾーン３８と炉頂部３６はまた各々が、受口３８とインベストメント鋳造金型３２との間の流体連通を提供する開口４２、４４も含んでいるので、溶融金属は受口３８から融解ゾーン開口４２と炉開口４４を介して金型キャビティー３５内に流れ得る。融解ゾーン開口４２と炉開口４４は図１の好ましい実施形態において同軸として示されている。しかしながら、開口４２及び４４は融解ゾーン３８と金型３２との間の流体連通を提供しなければならないが、その構成は図１−４に示す構成に限定されることはない。融解ゾーン３８と金型キャビティー３５との間の溶融金属の流れを調節するために栓４６を使用する。栓４６はかかる流れの調節のために融解ゾーン開口４２及び／又は炉頂部開口４４中に取り外し可能なように挿入され得る。
【００１６】
系は、作業ゾーン２２内の雰囲気を維持するための手段を備えて得る。雰囲気は非反応性ガス又はＡｒ、Ｈｅなどのような不活性ガスの雰囲気のような炉２０の作業ゾーン２２内の保護性の雰囲気であってもよいし、又は作業ゾーン２２内を真空４８にしてもよい。溶融金属をインベストメント鋳造金型３２内に注ぐときに作業ゾーン２２の脱気を可能にして、気孔率に起因する欠陥の形成を最小限にするためには真空系４８が好ましい。しかしながら、保護性の雰囲気又は真空を提供する系を含ませるのは随意である。さらに、所望であれば、炉頂部３６を含めて炉２０の全部、第２の融解ゾーン３８及び第２の加熱エレメント４０を選択された雰囲気内に入れてもよい。
【００１７】
超音波源５０が炉２０の外面上で炉２０の底部５２と接触しており、一方インベストメント鋳造金型３２は炉２０の反対側すなわち内面上にある。超音波源５０は電気信号を機械的な信号に変換する変換器である。超音波源が電気信号を機械的な信号又は超音波の波に適切に変換するために、圧電材料からなる変換器はそのキュリー温度より低く維持されなければならない。従って、変換器は、冷たいままであるように冷却されるか又は炉２０から充分な間隔で分離されなければならない。また、機械的な信号を界面（このような境界は少なくとも変換器／炉の界面及び炉／金型の界面にある）の境界を横切って最小の損失で伝えるためには、超音波の波は液体及び多くの固体を通って効果的に伝達されるが、空気又は気体を横切っては全くないわけではないがそれ程効果的ではないので、液体の伝達媒質を使用するのが望ましい。
【００１８】
これらの問題に対する解決策は本発明の一部ではないが、解決策は利用可能であり、当業者には公知である。例えば、超音波源５０がそのキュリー温度未満のままであるように、鋼若しくはニッケル超合金バー又はその他の高融点金属バーを用いて超音波源５０を炉底部５２から離隔してもよい。超音波源５０を標準の伝達媒質でバーに連結し得、このバーが超音波の波を効果的に伝える。必要であれば、金属バーを任意の適切な手段によって冷却してもよい。
【００１９】
別の実施形態において、銅チルを用いたウォータージャケットを超音波源５０と炉底部５２との間に使用して超音波源５０をそのキュリー温度未満に維持し得、一方、ウォータージャケットと炉底部との間の第２の伝達媒質が、超音波源と炉底部との界面を、超音波のパルスを伝えるように維持するのに充分な温度に維持し得、第１の伝達媒質は超音波源５０をウォータージャケットに連結する。伝達媒質の温度は、その液体状態のままで存続するように伝達媒質の気化又は酸化を防止するのに充分低く維持される。作業ゾーン２２内で、鋳造される金属又は合金の融解温度より低い融解温度及び鋳造される金属又は合金の融点より高い気化温度を有する金属又は合金の薄い層を使用することによって、炉底部とインベストメント鋳造金型との間に第３の伝達媒質を提供することができる。例えば、銅、スズ又は鉛は鋳造ニッケル基超合金のための炉底部と金型底部との間の有効な伝達媒質であり得る。既に述べたように、伝達媒質として選択される金属又は合金は、鋳造金属又は合金の融解温度が金属性伝達媒質の融点と金属性伝達媒質の気化温度との間になるように選択される。加えて、伝達媒質として選択される金属又は合金はインベストメント鋳造金型又は炉底部と反応してはならない。インベストメント鋳造金型は消耗品であり、炉底部は交換可能であり得るので、幾らかの反応性は許容可能であり得る。
【００２０】
さらにもう１つ別の実施形態において、炉は底がなくてもよく、インベストメント鋳造金型は可動性のテーブル又はデッキを用いて金型内に挿入し得る。このインベストメント鋳造金型は螺旋状の結晶粒選別機及びスターターブロックを含む。インベストメント鋳造金型は、超音波源５０と接触している水冷チル上にある。既に述べたように高温伝達媒質が提供される。この実施形態において、熱は水冷チルにより金型の底部から引き出される。通常の凝固法で、金型の底部を通して金属から熱を引き出す水冷チルを使用することによって方向性凝固（ＤＳ）結晶粒が生成するであろう。螺旋状の結晶粒選別機を使用すると通常は単結晶（ＳＸ）結晶粒が生成するであろう。しかしながら、超音波パルスは前進する凝固前面を破壊するので通常のＤＳ結晶粒もＳＸ結晶粒も形成されないと考えられる。理論により束縛されることはないが、熱はインベストメント鋳造金型の底部から優先的に引き出されるので、鋳造製品は熱除去の方向から遠ざかる方向に延びる結晶粒組織を有する多粒子系の構造であると考えられる。
【００２１】
耐火性分割器３０は、低出力誘導コイル２４を第１の加熱エレメント２５から分離し、炉２０の作業ゾーン２２を画成している。耐火性分割器３０は、熱衝撃に耐性で、広い温度範囲に渡って構造上安定なあらゆる材料から作成し得る。耐火性分割器３０は、例えばアルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、これらの材料又は他の材料の複合材及びこれらの組合せなどのようなあらゆる耐火性材料からなり得る。
【００２２】
融解ゾーン３８はインベストメント鋳造金型のための溶融金属を提供する。融解ゾーン３８は固体の状態にある金属の装填材料を受容し得るか、又は別の炉、取鍋又はその他の注入デバイスからの溶融金属を受容し得る。金属の固体装填材料が供給された場合、第２の加熱エレメント４０を使用してそれを融解し得る。溶融金属が融解ゾーン３８に供給された場合、第２の加熱エレメント４０を使用して、さらに金属の精錬が必要ならばその温度を維持し得るか又はその溶融金属の温度をその金属又は合金の注入温度範囲内の温度に維持し得る。熱衝撃に対する耐性及び広い温度範囲に渡る構造的安定性を始めとする耐火性分割器の性質を有することに加えて、融解ゾーン３８は、それが接触する溶融金属と非反応性であるべきである。理想的には、融解ゾーン３８は浸食耐性であるべきである。融解ゾーン用途に適した耐火性材料の幾つかの例として、当技術分野で公知のようなムライト、アルミナ、コーディエライト及びケイ酸アルミニウムがある。
【００２３】
栓４６は、溶融金属又は合金と反応しないあらゆる高温材料であり得る。例えば、栓は、溶融金属の流れを許容するように受口３８と金型キャビティー３５との連通が得られる第１の位置から、受口３８から金型キャビティー３５内への溶融金属の流れを防ぐように受口３８と金型キャビティー３５との連通が閉鎖される第２の位置へと移動可能な高温セラミックのロッド又はチューブであり得る。図にはロッドとして示されているが、栓は、開口４２、４４と係合するか又は遮断するセラミック又はＣＭＣディスクのようなディスクであってもよい。一旦開口４２、４４に挿入されると、栓はまた密閉も提供し、その結果真空系４８により真空に引くことができるか、又は、随意不活性な若しくは還元性の雰囲気が含まれている場合これを作業ゾーン２２内に維持することができる。鋳造される金属又は合金が銅及びその合金のような低温材料である場合、栓は鋼のような高融点合金からなり得る。
【００２４】
鋳造ユニット１０は低出力誘導コイル２４及び第２の加熱エレメント４０を含んでいる。第２の加熱エレメント４０は高出力誘導コイルであるのが望ましい。第２の加熱エレメント４０の目的は、既に述べたように、固体の状態で供給された金属装填材料を融解し、及び／又は溶融金属をその融解温度より高くその注入温度以上の温度に維持することである。これにより、所望であれば、融解ゾーン３８内の溶融金属の補助的な精錬も可能になる。第２の加熱エレメント４０はまた融解ゾーン３８を予熱するのにも使用し得、そのため溶融金属が二次的な融解源から融解ゾーン３８内に注入されるときその温度低下が最小限になる。溶融金属が融解ゾーン３８からすぐにインベストメント鋳造金型３２内に移されない場合、注入が完了するまで溶融金属の温度をその融点より高くその注入温度又はその付近に維持するために第２の加熱エレメント４０を利用し得る。融解ゾーン３８と第２の加熱エレメント４０が本発明において任意事項であることは当業者には明らかである。空気融解された超合金鋳造品の場合、前記のように溶融金属はインベストメント鋳造金型３２内に注入され得、等軸晶結晶粒は第１のゾーン２２内で達成され得るので、融解ゾーン３８及び第２の加熱エレメント４０を使用することなく等軸晶の結晶粒が達成され得る。或いはまた、鋳造ユニット１０の外部でインベストメント鋳造金型に注入し充填した後溶融しているうちに第１のゾーン２２内に移してもよい。
【００２５】
低出力誘導コイル２４は作業ゾーン２２に隣接して位置している。その主たる目的は、金型３２内に溶融金属の対流を起こすことである。所望であれば、低出力誘導コイル２４を炉の鉛直高さに沿って複数のゾーンに分割してもよく、各々のゾーンを個別に制御して、炉２０の作業ゾーン２２に沿って対流の流れを調節することができる。第１の加熱エレメント２５は第２の加熱エレメント４０と別の加熱エレメントであってもよく、又は第１及び第２の加熱エレメント２５、４０は同一の加熱エレメントの異なる部分であってもよいが、各々の部分は別々の制御機構により制御される。第１の加熱エレメント２５はインベストメント鋳造金型３２内の溶融金属の幾らかの温度制御を提供する。
【００２６】
再び図１を参照して、金型キャビティーは場合により熱安定性分散剤を備えており、これは酸化物分散強化（ＯＤＳ）のための表面処理された酸化物を含み得る。これらの分散剤は、第２の相粒子を分散させ核を生成する結晶粒を均一に分散させるために添加し得る。分散剤に加えて又はその代わりに微細な粒子接種剤も備え得る。
【００２７】
任意の核形成剤５４はシェル３４上で形成し得るか又は形成した後に適用し得る。核形成剤５４を利用するかどうかは鋳造される合金により左右される。例えば、フェロシリコンを鋳鉄のための核形成剤として添加して、より微細な結晶粒組織を促進し得る。異なる合金の場合は他の核形成剤５４を含ませ得る。延性鉄を鋳造する場合、ケイ素を使用して第２の相の形成を促進し、一方鋳鉄内の黒鉛化を促進するために使用する。ホウ素とジルコニウムを添加して、ニッケル基超合金内の等軸晶結晶粒の核形成を促進し得る。
【００２８】
ここで図２を参照すると、溶融金属が融解ゾーン３８から流れて、インベストメント鋳造金型３２が溶融金属で装填されている。図１において挿入された栓４６が図２でも挿入されて作業ゾーン２２を密閉するので、随意の真空系は作業ゾーン２２内の空気並びに凝固する金属から出て来るガスの全てを効果的に排気することができる。もちろん、炉２０の作業ゾーン２２内へのインベストメント鋳造金型３２の挿入及び除去が可能になるように炉２０の作業ゾーンへのアクセスが提供されなければならない。超合金金属を融解ゾーン３８内に装填することによって、融解を連続的に行うことができ、追加のインベストメント鋳造金型３２を融解ゾーン開口の下に配置することができる。鋳造が完了したとき、残りの金型を融解ゾーン開口の下に配置して残りの溶融金属を捕獲することができる。
【００２９】
図２で、金型３２内の金属は溶融状態であり、図１に示されていたニッケルの薄いシート５６は溶融金属により融解されている。ニッケルのシートは鋳造される合金と化学的に適合性でなければならない。鋳造合金組成が変化すると共にいろいろな金属組成のシート５６が提供され、この提供される金属組成は鋳造される合金と適合性である。例えば、図１及び２に示されている実施形態において、鋳造合金はニッケル基合金であり、図１のシートはニッケルシートである。当業者には理解されるように、異なる合金を鋳造する場合には、その合金と適合性の金属性シートが提供される。金型３２の底部に配置されていた熱安定性分散剤と、図１に示されているシェル３４のライニングとしての核形成剤は、シートが融解された後は溶融金属全体に分配されている。溶融金属の凝固は、第１の加熱エレメント２５を用いて加熱することによって制御することができる。この加熱エレメントの能力及び融解される合金の凝固温度に応じて、第１の加熱エレメント２５による加熱は所望であれば凝固を遅らせるか又は逆転さえさせ、溶融金属内の対流に寄与することができ、これらの対流の流れは分散剤と核形成剤の両方を循環させる。これは、作業ゾーン２２内の選択された部分を制御しつつ加熱することができるように第１の加熱エレメント２５を幾つかに区分けした場合に特に効果的であることができる。最終的に、溶融金属は凝固しなければならず、これは溶融金属からシェルを通して作業ゾーンに熱を移すことにより達成される。
【００３０】
凝固の際金属が常に冷却されるとき、核生成はシェル３４上で起こり、樹枝状結晶は金型３２の内部で溶融金属中に成長する。金属内の対流の流れは、結晶粒組織に悪影響を与えることができるこれらの前進する樹枝状結晶を破断するには不充分であり得る。シェル上で優先的に核を形成するかかる樹枝状結晶の発達を防ぐために、本発明では、超音波源５０からの超音波のパルスを溶融金属に適用する。既に述べたように、超音波源５０は炉２０の外側に位置しており、凝固が起こる間、チルの使用により、又は間隔により、冷たいままであるように配置されている。この超音波のパルスは、試験及び欠陥評価に使用される慎重に制御された超音波ビームと異なり、いかなる周波数及びいかなる波形であってもよい。超音波のパルスをインベストメント鋳造金型３２に加える方向は重要な要因ではない。図１及び２に示されているように、超音波源は、縦方向のパルスが、シェル３４の側壁から成長する樹枝状結晶を実質的に横断する方向に送出されるように配置されている。しかし、当業者には認識されるように、超音波源は、シェル３４の側壁から成長する樹枝状結晶に対して様々な角度、特に４５°〜６０°で横断パルスを金型３２に送出するように変えることができる。もちろん、１つより多くの超音波源を使用して１より多くの方向からパルスを送出してもよいし、又は一列に並んだ変換器がプログラムされたパターンでパルスを送出することができる。しかしながら、超音波パルスは、樹枝状結晶を破壊する、すなわち、樹枝状結晶が溶融金属中に前進する前に樹枝状結晶をシェルから分離するか又は樹枝状結晶破断するのに充分な大きさでなければならない。超音波パルスの追加の利点は、溶融金属の混合も提供され、すなわち、樹枝状結晶はシェル３４から分離されると溶融金属と混合され、また凝固する金属内で成長する結晶粒のための核として働くということである。本発明の好ましい実施形態では別の低出力誘導コイル２４を利用して伝導流を発生させるが、当業者には理解されるように、超音波源５０は低出力誘導コイルと同じ周波数の超音波パルスを提供し得、そのため超音波源５０は対流の流れの単一の源として、かつ上述のように樹枝状結晶を破断するのに充分な大きさのエネルギー源として機能し得、また、対流の流れを発生させる手段には超音波源５０、低出力誘導コイル２４又は両者が含まれる。第１の加熱エレメント２５はまた対流の流れに寄与し得るが、その程度はずっと少ない。
【００３１】
超音波パルスは、その振幅が樹枝状結晶を金型壁から分離し、及び／又は樹枝状結晶を破断するのに充分である限り、いかなる周波数であってもよい。１５ｋＨｚ〜２５ＭＨｚの範囲の周波数を利用し得るが、約１９ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの範囲のパルスが好ましく、約６０ｋＨｚの特定の選択が最も好ましい。超音波パルスを発生させる際の重要な要因は生成する振幅の大きさが充分であることである。パルスの振動の振幅は促進の強度を決定するが、この強度はキャビテーションを制御する際の最も重要な要因である。振幅が大きいほどより効果的なキャビテーションが得られる。運動の一方のみの方向も効果的なキャビテーションを補助する。好ましい振幅は約２０マイクロメートル〜約１１０マイクロメートルであり、６５マイクロメートルが最も好ましい。出力／表面積が強度を与え、これは振幅、圧力、金型容積、温度、溶融金属粘度及びその他の要因の関数である。総出力は強度と表面積の積である。総エネルギーは出力と曝露時間の積である。このように、エネルギー値は全てのパラメーターに依存して変化することが分かる。しかしながら、好ましい出力密度は金型容積１ｍｌ当たり３０−４００ワットの範囲内である。
【００３２】
超音波源５０は連続的に作動してもよいし、又は実質的に第２の周波数を構成する短い時間間隔で作動させてもよい。超音波源５０を連続的に作動させるのが好ましい。もちろん、超音波パルスはインベストメント鋳造金型３２の金属内に熱を発生させるが、超音波パルスにより発生する熱は溶融金属の温度又は第１の加熱エレメント２５により加えられ得る熱と比べて少ない。超音波パルスは、インベストメント鋳造金型３２内の溶融金属の温度を決定する１以上の熱電対と併せた制御装置によって作動するように調節し得る。公知の組成の金属の凝固はある温度又は温度範囲で起こり発熱であるので、超音波パルスはこの温度又は温度範囲周囲の予め選択された公差帯を含む温度又は温度範囲に渡って作動するように制御することができる。
【００３３】
溶融金属を混合することができるので、超音波源５０から入射する超音波パルス、低出力誘導コイル２４及び第１の加熱エレメント２５がいずれも、対流の流れに寄与しつつ、樹枝状結晶の形成及び発達を防止する。この溶融金属の混合及び加熱は他の利点を提供する。すなわち、発達すると共に結晶粒を形成する核が均一に分配される。また、合金が凝固するときに合金を構成する元素の混合が提供され、そのため結晶粒が成長するときに残存する溶融金属がより均一な組成を有する。また混合により、合金が混合されるとき温度のより均一な分布も得られる。既に述べたように、残存する溶融金属の温度が過冷却されることもゆっくり冷却されることもないときに、等軸晶結晶粒の形成及び成長がより有利であり、従って均一な大きさの等軸晶結晶粒が生成する。ここでは、混合によってより均一な温度分布が提供されるので、柱状の結晶粒の成長に都合がよい温度勾配がない。最後に、溶融金属内に最初に生成する析出物は混合の結果として均一に分配され、凝固した金属はより均一な組成を有することになるので凝固した金属マトリックス内に形成される析出物も均一に分配される。
【００３４】
鋳造品の特定の用途のために、鋳造品を均質化して偏析の結果としての組成差を除くことが必要な場合、本発明の装置と方法によって形成される鋳造品は、凝固プロセス中の合金の混合により元素のより良好な分布が提供されるので、必要とされる高温での均質化時間がより短い。このように、高温での均質化時間を低減することができるのでエネルギー利用のコストが節減される。
【００３５】
図３及び４は図１及び２と同様であるが、シェルが核形成剤を含んでいるが熱安定性分散剤を有する金属シート５６を含まない鋳造ユニットを示している。図３及び図４に示されているように、これらの核形成剤はシェルのライニングとして示されている。これらの剤はシェルが作製されるときにシェルに添加してもよい。しかし、核形成剤はシェルと共に作製する必要はない。核形成剤は注入する前にインベストメント鋳造金型３２に添加してもよい。すなわち、超音波源５０により導入される超音波パルスによって生じる混合と対流、低出力誘導コイル２４により起こされる対流の流れから生じる対流、及び金型３２内への溶融金属の最初の注入により生じる乱流の組合せが、溶融金属全体に核形成剤を分散させるのに提供するはずであるからである。また、核形成剤は、融解する前に固体の金属と共に、若しくは溶融金属の導入と同時に、炉２０の第２の作業ゾーン又は融解ゾーン３８内に導入してもよいし、又は、第２の溶融金属源を使用して炉２０内に溶融金属を導入するときは第２の作業ゾーン３８に移す前の溶融金属中に導入してもよい。超音波パルス、低出力誘導コイル２４により起こされる対流の流れ、及び注入の結果生じる乱流は、溶融金属中への核形成剤の導入の時期が多少異なっても、核形成剤を溶融金属全体に分散させるために同様に機能するべきである。その他の点で、図３及び図４に示す実施形態において等軸晶結晶粒組織を生成させるための注入と凝固の制御は図１及び図２に関して既に記載したのと実質的に同じである。
【００３６】
超音波源５０を使用して溶融金属内に超音波パルスを導入すると、より微細な等軸晶結晶粒の大きさを有する鋳造品の提供が促進される。低出力誘導コイルは核を生成する結晶粒及び分離された樹枝状結晶を溶融金属全体に分散させる。第１の加熱エレメント２５として図に示されている熱源を使用して温度分布を制御する一方で過熱を回避することも等軸晶の微細組織の形成に寄与する。当然、他の利益は、得られる鋳造品の組成差の低減、すなわち、微細偏析の低減である。その他の利点には、欠陥の低減がある。第１の加熱エレメント２５の使用により凝固速度を制御することができ、かつ超音波パルスによって溶融金属を攪拌することができるので、他の場合には凝固する金属から生成しその中に閉じ込められるガスは任意に使用される真空系によって除去することができる。収縮のような欠陥はより小さい大きさの容積測定の欠陥内により均一に分配することができるので、収縮のような鋳造欠陥の影響を低減することができる。存在する場合、かかる欠陥の位置を操作することができる。当然、本明細書に記載した装置と方法により生成する洗練された粒度は、より高い強度を有する鋳造品を生成し、そのためより長い寿命を有する部品が得られる。このため、これらの部品を利用する系のライフサイクルコストが下がる。既に記載されていた部品はタービン用途に使用されるだろうが、本方法で作られる異なる部品は他の用途にも確実に使用し得る。タービン用途において、より長い寿命を有する部品は、かかる部品で生じる修理又は交換のための操業停止の平均時間をより長くすることができる。
【００３７】
好ましい実施形態に関して本発明を説明して来たが、当業者には理解されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更をなすことができ、またその要素に代えて等価なものを使用することができる。加えて、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、多くの修正をなすことができる。従って、本発明は、本発明を実施するため考えられる最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されることはなく、後記特許請求の範囲内に入る全ての実施形態を包含するものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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